大興安嶺北部森林流域內(nèi)積雪與融雪徑流化學(xué)特征*

朱賓賓 滿秀玲 孫雙紅 張紅蕾 孫旭

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.呼倫貝爾市林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古海拉爾 021000；3.呼倫貝爾市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所，內(nèi)蒙古海拉爾 021000）

大興安嶺北部森林流域內(nèi)積雪與融雪徑流化學(xué)特征*

朱賓賓1,2滿秀玲1*孫雙紅2張紅蕾2孫旭3

（1.東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.呼倫貝爾市林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古海拉爾 021000；3.呼倫貝爾市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所，內(nèi)蒙古海拉爾 021000）

采集2015年3月16日最大積雪期流域內(nèi)積雪樣品和2015年4～5月河川融雪徑流樣品，分析其離子質(zhì)量濃度特征，結(jié)果表明：1）森林流域內(nèi)積雪離子質(zhì)量濃度從大到小依次為(5.91 mg/L)(5.15 mg/L)、Cl-(1.90 mg/L)、K+(1.16 mg/L)(0.96 mg/L)、(0.89 mg/L)(0.33 mg/L)和Mn(0.011 mg/L)，其中樟子松林對(duì)積雪離子濃度影響最大，白樺林次之，興安落葉松林最小。2）河川融雪徑流中離子成分以和為主，二者占78.50%左右，融雪徑流和K+相對(duì)流域積雪表現(xiàn)為淋失型遷移，其中的遷移量最大，遷移系數(shù)為15.84，而和Mn則表現(xiàn)為內(nèi)貯型遷移。

大興安嶺；森林流域；雪化學(xué)；積雪；融雪徑流

我國(guó)東北、內(nèi)蒙古高原以及青藏高原都有廣袤的季節(jié)性積雪分布，尤其大興安嶺北部林區(qū)冬季降水主要以雪的形式為主，負(fù)溫期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月之久[1,2]，加之林區(qū)茂密的植被以及深厚的枯枝落葉等有利條件，使其成為天然的蓄水庫(kù)與營(yíng)養(yǎng)庫(kù)[3,4]，林內(nèi)積雪除了可以防止土壤凍結(jié)過(guò)深而傷害樹木根系以及保護(hù)幼樹越冬等作用外，春季遇到一定的氣候條件便形成冰雪融水，所引起的水文效應(yīng)對(duì)春季植物萌動(dòng)提供有效的水分與養(yǎng)分，可有效緩解林木春季生長(zhǎng)期干旱和缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等問(wèn)題的發(fā)生[5,6,7]。融雪徑流作為積雪養(yǎng)分[6]釋放的主要方式，積雪養(yǎng)分的釋放過(guò)程會(huì)因淋融土壤[7]、枯枝落葉或被生物分解、吸收而發(fā)生變化，因此積雪在森林生態(tài)系統(tǒng)能量和物質(zhì)循環(huán)中具有重要作用。大興安嶺作為我國(guó)唯一的高緯度寒溫帶林區(qū)[2]，在維護(hù)東北地區(qū)生態(tài)平衡具有舉足輕重的地位，本文以大興安嶺北部森林流域?yàn)檠芯繉?duì)象，研究冬季降雪、不同林型內(nèi)積雪及河川融雪徑流化學(xué)特征，為寒區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)雪生態(tài)功能的評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 采樣地點(diǎn)與研究方法

1.1 采樣地點(diǎn)與立地條件

采樣地點(diǎn)設(shè)在老爺嶺流域，位于漠河縣北極村漠河林場(chǎng)內(nèi)，該流域面積22.22 km2，地形為2山夾1溝，坡度在12°～25°之間。研究區(qū)為多年連續(xù)凍土區(qū)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)、嚴(yán)寒，夏季短促、涼爽，秋季降溫迅速，常有凍害發(fā)生。5～6月份為旱季，7～8月份為汛期，年平均氣溫-4.9℃，年降水量350～500 mm，多集中于7～8月份，降雪量占年降水量的10%～20%，集中在11月～翌年2月，太陽(yáng)輻射總量平均為96～107 kcal/cm2·d。土壤以棕色針葉林土為主，局部地帶有草甸土和沼澤土，流域內(nèi)主要分布有興安落葉松(Larix gmelinii)林、山楊（Populus davidiana）林、白樺（Betula platyphylla）林和樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)林，沿河分布有喬木沼澤和草本沼澤濕地，還有少量的草甸植被。

1.2 樣品采集與處理

結(jié)合地形圖進(jìn)行實(shí)地考察，于老爺嶺流域內(nèi)選取興安落葉松林、白樺次生林和樟子松林3個(gè)林型，在各林型內(nèi)分別設(shè)置20m×30m的樣地，在2015年3月16日最大積雪期，分別在上述3塊樣地內(nèi)多點(diǎn)采集積雪樣品。2015年4月16日～5月9日定期采集森林流域下游的溪流水樣。積雪樣品均采用一次性塑料保鮮袋收集，溪流樣品采用蒸餾水處理過(guò)的采樣瓶進(jìn)行采取，積雪樣品帶回室內(nèi)自然融化的水樣以及溪流水樣，經(jīng)孔徑0.45μm水溶性微孔濾膜過(guò)濾后存儲(chǔ)于100 mL試劑瓶，放入-15℃冰箱內(nèi)進(jìn)行冷藏，過(guò)濾后的樣品結(jié)成冰塊后放入保鮮箱內(nèi)，分批次送回東北林業(yè)大學(xué)濕地綜合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行化學(xué)分析。和Mn的質(zhì)量濃度經(jīng)由原子吸收分光光度計(jì)（德國(guó)耶拿）火焰法測(cè)定的質(zhì)量濃度通過(guò)離子色譜儀（瑞士）進(jìn)行測(cè)定，水樣均重復(fù)測(cè)定3次，重復(fù)間差異過(guò)大時(shí)增加重復(fù)次數(shù)，剔除明顯不合理者取均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 流域內(nèi)積雪化學(xué)特征

攜帶離子的降雪對(duì)下墊面而言是一種有效的養(yǎng)分輸入過(guò)程,然而降雪在通過(guò)不同森林生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，不同林型的林冠對(duì)降雪的截留量以及截留時(shí)間不同，截留的降雪或吸附林冠的干沉降和空氣中的膠體顆粒，或進(jìn)行蒸發(fā)升華，在風(fēng)力及自重作用下落入林下，使林下積雪某些離子濃度發(fā)生改變。

2.1.1 不同林型內(nèi)積雪陰離子濃度特征

對(duì)不同林型內(nèi)的積雪進(jìn)行取樣分析，結(jié)果表明：不同林型內(nèi)積雪陰離子Cl-質(zhì)量濃度從大到小依次為樟子松林（2.32mg/L）、白樺次生林（1.81mg/L）和興安落葉松林（1.58 mg/L）為樟子松林（5.79 mg/L）、白樺次生林（4.97 mg/L）和興安落葉松林（4.68 mg/L）為樟子松林（6.54 mg/L）、白樺次生林（5.68 mg/L）和興安落葉松林（5.51 mg/L），為樟子松林（1.05mg/L）、白樺次生林（0.87mg/L）和興安落葉松林（0.75 mg/L），由此看出，郁閉度最大的樟子松林內(nèi)積雪陰離子含有量最大，原因可能是樟子松作為常綠針葉樹種，林冠可反射更多的太陽(yáng)輻射，林下所形成低溫環(huán)境有利于積雪養(yǎng)分的累積[3]。白樺次生林冬季郁閉度幾乎為零，加之外界對(duì)林內(nèi)積雪養(yǎng)分輸入影響較大，以致白樺次生林內(nèi)積雪的離子含量介于上述二者林型之間。

2.1.2 不同林型內(nèi)積雪陽(yáng)離子濃度特征

圖1 不同林型內(nèi)積雪陰離子濃度特征

除了Mn外，不同林型內(nèi)積雪陽(yáng)離子質(zhì)量濃度從大到小依次表現(xiàn)為樟子松林、白樺次生林和興安落葉松林，其中質(zhì)量濃度從大到小依次為小樟子松林（1.19 mg/L）、白樺次生林（0.92 mg/L）和興安落葉松林（0.78 mg/L）為樟子松林（0.41 mg/L）、白樺次生林（0.31 mg/L）和興安落葉松林（0.28 mg/L），K+為樟子松林（1.36 mg/L）和白樺次生林（1.15 mg/L）和興安落葉松林（0.99 mg/L），原因可能是樟子松對(duì)降雪的截留量較大，被截留的降雪在落入林內(nèi)過(guò)程中，會(huì)吸附更多樹冠灰塵，白樺次生林透風(fēng)系數(shù)較大，對(duì)積雪進(jìn)行養(yǎng)分再次輸入，使源于巖石風(fēng)化的陽(yáng)離子的質(zhì)量濃度明顯高于興安落葉松林，而Mn質(zhì)量濃度從大到小依次為白樺次生林（0.13 mg/L）、樟子松林（0.11 mg/L）和興安落葉松林（0.092 mg/L）。由此看出，樟子松林內(nèi)積雪質(zhì)量濃度最大，白樺次生林次之，興安落葉松林內(nèi)積雪離子濃度最小。方差分析結(jié)果表明，不同林型內(nèi)積雪中和Mn無(wú)顯著差異顯著性水平(P＜0.05)，而達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)。終上所述，樟子松林內(nèi)積雪可吸附更多的陸源性鹽類，減弱陰離子的揮發(fā)，而白樺次生林對(duì)積雪化學(xué)特征的影響次之，興安落葉松林最弱，由此看出大興安嶺北部不同林型對(duì)積雪養(yǎng)分的積累起著互補(bǔ)作用。

2.2 流域內(nèi)融雪徑流化學(xué)特征

林內(nèi)積雪隨著氣溫的回升而融化，產(chǎn)生的融雪徑流逐漸匯入河川，溪流化學(xué)的本質(zhì)反映著森林流域生態(tài)系統(tǒng)行為特征和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，融雪徑流中離子質(zhì)量濃度從大到小依次為(15.21 mg/L)、(2.24 mg/L)、(0.38 mg/L)和Mn(0 mg/L)。融雪徑流形成過(guò)程中，因融雪徑流初期流速緩慢[5]，土表進(jìn)行反復(fù)的凍融循環(huán)，融雪徑流接觸地表時(shí)間較長(zhǎng)等原因，融雪水會(huì)攜帶土壤中大量離子釋放到溪流中，加之積雪中80%的化學(xué)物質(zhì)將于融雪徑流峰值前期會(huì)集中排出[8]，導(dǎo)致融雪徑流初期溪流離子質(zhì)量濃度相對(duì)較高，溪流離子質(zhì)量濃度于4月18日前后分別達(dá)到峰值(圖4)。

圖2 不同林型內(nèi)積雪陽(yáng)離子濃度特征

隨著氣溫的升高，地表徑流匯入河川的速率逐漸加快，融雪徑流與土壤接觸時(shí)間縮短，加之林內(nèi)積雪含量減少，致使河川融雪徑流中的離子質(zhì)量濃度呈下降規(guī)律，其中的質(zhì)量濃度降幅最大，由4月16日的1.33 mg/L波動(dòng)減小到5月2日的0.13 mg/L，降幅高達(dá)90.47%，陽(yáng)離子中的變化量也較大，降幅分別為70.56%和62.51%，而降幅最小，由4月16日的1.34 mg/L波動(dòng)減小到5月2日的1.16 mg/L，降幅僅為12.87%。隨著季節(jié)性凍土融化深度的加大，春季降雨的發(fā)生，壤中流會(huì)淋融更多土壤化學(xué)元素等原因，河川融雪徑流中化學(xué)元素的質(zhì)量濃度呈不同幅度的上升規(guī)律，其中質(zhì)量濃度漲幅最大，由最小值7.52 mg/L波動(dòng)增加到5月9日的20.59 mg/L，增加了1.74倍，次之，由最小值0.13mg/L波動(dòng)增加到5月9日的0.61 mg/L，增加了1.66倍最小，由最小值1.16 mg/L波動(dòng)增加到5月9日的1.41mg/L，僅僅增加了0.21倍。

2.3 流域內(nèi)雪水化學(xué)成分的變化

大興安嶺北部河川融雪徑流是森林流域內(nèi)積雪融化后的地面輸出水，若以融雪徑流化學(xué)成分輸出量與林內(nèi)積雪學(xué)成分儲(chǔ)存量的比值（遷移系數(shù)）為平衡界限[9]，比值若小于1，則河川融雪徑流中的化學(xué)成分相對(duì)于積雪為內(nèi)貯型，即積雪中部分離子在森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)被吸收貯存，若大于臨界值，則為淋失型，即融雪徑流侵蝕土壤而增加了融雪徑流化學(xué)成分含量，使輸出含量大于儲(chǔ)存量。大興安嶺春季林內(nèi)積雪所形成的融雪徑流中4種離子表現(xiàn)為淋失型，分別是遷移系數(shù)依次為15.84、3.79、2.04和1.93，說(shuō)明冬季降雪和春季融雪徑流對(duì)林冠層、植物凋落物以及土壤具有較強(qiáng)的淋溶作用，尤其對(duì)陽(yáng)離子的淋溶能力較強(qiáng)，其中對(duì)的淋溶遷移能力最強(qiáng)。而陰離子和Mn表現(xiàn)為內(nèi)貯型，遷移系數(shù)均小于1，遷移系數(shù)分別0.57、0.43、0.35和0，說(shuō)明冬末春初森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)積雪所形成的融雪徑流中的陰離子具有較強(qiáng)的吸附能力。

圖3 融雪徑流化學(xué)特征

表1 融雪徑流相對(duì)積雪化學(xué)濃度的遷移量和遷移系數(shù)

3 結(jié)論與討論

3.1 冬季大興安嶺北部高寒地區(qū)，林內(nèi)積雪幾乎不融化，降雪養(yǎng)分以及沉降在積雪層中的雜質(zhì)可累積保留到春季，研究發(fā)現(xiàn)流域內(nèi)積雪離子質(zhì)量濃度從大到小依次為(0.33 mg/L)和Mn(0.011 mg/L)。然而受不同林型對(duì)降雪的截留量以及削減風(fēng)沙輸入量不同等多重原因，導(dǎo)致樟子松林內(nèi)積雪對(duì)離子富集量最大，對(duì)Mn的涵養(yǎng)能力也僅次于白樺次生林，而興安落葉松林對(duì)積雪養(yǎng)分的涵養(yǎng)能力最弱，白樺次生林居中，說(shuō)明在林內(nèi)積雪養(yǎng)分涵養(yǎng)方面，流域內(nèi)的樟子松林、白樺次生林對(duì)地帶性植被興安落葉松林是一種有效彌補(bǔ)，但如何對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)配置，使流域內(nèi)積累更多冬季降雪養(yǎng)分，仍有待進(jìn)一步研究。

3.2 春季隨著氣溫回升積雪逐漸融化，林內(nèi)積雪養(yǎng)分含量會(huì)伴隨融雪水滲出雪層而發(fā)生變化，融雪徑流形成過(guò)程融雪水與枯落物層、土壤表層直接接觸，隨著植被逐漸萌動(dòng)，植被對(duì)液態(tài)水的吸收等一系列的生理作用，致使融雪徑流養(yǎng)分含量發(fā)生變化。河川融雪徑流中離子含量從大到小依次為(0.38 mg/L)和Mn(0 mg/L)，其中陽(yáng)離子為主，這一結(jié)果與李華[11]等對(duì)涼水國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)溪流水化學(xué)的研究一致。受融雪徑流速率、流域積雪含量、凍土解凍深度以及春季降雨的影響，融雪徑流中離子質(zhì)量濃度均表現(xiàn)出“先減小后增大”的規(guī)律，其中和質(zhì)量濃度變化較劇烈的變化量最小。融雪徑流中表現(xiàn)為淋失型，其中的流失量最大，遷移系數(shù)高達(dá)15.84，大興安嶺北部生態(tài)系統(tǒng)對(duì)融雪徑流養(yǎng)分具有一定的貯濾功能[13]，其中對(duì)和Mn的吸收吸附能力較強(qiáng)，致使溪流中上述離子含量相對(duì)積雪有所減小。

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第1作者簡(jiǎn)介：朱賓賓（1991-），男，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)榛哪乐闻c森林水文。

（責(zé)任編輯：張亞楠）

Chemical Characteristics of Snowpack and Snowmelt-runoff in Forest Watershed in Northern Region of Greater Xing，an Mountains

ZHUBinbin
（Northeast Forestry University,HeilongjiangHarbin150040）

In order to reveal characteristics of snow-chemistry in forest-watershed in boreal，the samples of snowpack in forest-watershed and snowmelt-runoff in stream were collectedduring March 2014 to May 2015 in the northern region of Greater Xing，an Mountains,weanalysed the ion-concentrations of all samples to provide scientific basises for correctly evaluating water-conservation function of forest-ecosystem in boreal. The results were shown as the followings:1)In forest watershed,the concentration of snowpack-ions from large to small was consecutively(5.91 mg/L)(5.15 mg/L)(1.90 mg/L)、(1.16 mg/L)、(0.96 mg/L)(0.89 mg/L)、(0.33 mg/L)and Mn(0.011 mg/L),and different forest types had different influences on the chemical-characteristics of snowpack in forest-ecosystem,Pinus sylvestris forest was the largest,Birch forest was second,and Larix gmelini forest was the least.2)The concentration ofandin all ions of snowmelt-runoff was the largest,the two accounted for about 78.50%,andshowed leaching-migration,migration quantity ofwas the largest,migration coefficient was 20.01, however,and Mn showed internal storage migration.

Greater Xing′an Mountains;Forest watershed;Snow chemistry;Snowpack;Snowmelt-runoff

S717.1,S714.7

A

1001-9499（2016）06-0053-04

滿秀玲（1964-），女，教授，主要從事水土保持研究工作。

2016-09-20

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31370460）